真空電子器件可靠性分析

蔡明

摘要：真空電子器件是現(xiàn)代電子設(shè)備中的主要器件。它們的可靠性要求必須服從于用戶對電子設(shè)備的可靠性要求?，F(xiàn)代電子設(shè)備的復(fù)雜性日益增加，并越來越多地應(yīng)用于各種使用環(huán)境中，如機載雷達、導(dǎo)彈、航空航天和放射性輻射。現(xiàn)在，我們需要討論真空電子器件在工作和非工作壽命中的可靠性要求和失效機理。

關(guān)鍵詞：真空電子器件；失效機理；可靠性

1幾種應(yīng)用情況

真空電子器件對海底電纜的壽命要求很高，如海底電纜中所需要使用的增音管，因為它們在使用后無法更換，因此在埋入海底之前，必須對其工作的長期可靠性進行驗證。通信衛(wèi)星具有通信距離長、信息容量大的特點，是現(xiàn)代通信技術(shù)的一個飛躍，但衛(wèi)星上的行波管是不可替代的。法國開發(fā)的用于通信衛(wèi)星的行波管壽命約為7年。為了驗證行波管的可靠性，采用故障概率法，使用40只行波管，進行了一年以上的試驗。此外，歐洲軌道測試（OTS）衛(wèi)星的目標(biāo)是在太空中工作7年。歐洲空間研究組織（ESRD）規(guī)定，12GHz行波管的可靠性要求為60%，MTBF必須通過250000 h壽命試驗，沒有行波管失效；而在500000h壽命試驗中的一個樣管失效，這樣才能保證在衛(wèi)星運行期內(nèi)行波管的壽命（約7年）。雖然真空電子器件的某些品種不需要很長的工作時間，但它們在長期儲存后仍然需要正常工作，例如在導(dǎo)彈上使用的真空電子器件，雖然真空電子器件的工作時間不長，必須保證其在長時間（非工作存儲）中的良好性能，以保證導(dǎo)彈飛行正常飛行。因此，原料的制備和零件的加工特別嚴(yán)格，需要嚴(yán)格的制管工藝和新型的脫氣劑，以保證長期儲存中的最小氣體含量。這是因為當(dāng)導(dǎo)彈行波管增加電壓時，從內(nèi)部部件釋放微量氣體會在導(dǎo)彈的初始操作過程中引起嚴(yán)重的信號失真。

2真空電子器件在非工作存儲壽命中的失效機理

基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)和理論模型的分析，我們建立了真空電子器件非工作存儲失效率的預(yù)測模型。它可以應(yīng)用于各種電子管和環(huán)境條件的使用。我們已經(jīng)收集了設(shè)備在存儲壽命中的數(shù)據(jù)。通過歸納和分析，可以得出真空電子器件的主要失效機理是經(jīng)過長時間的存儲從而使真空度降低。如果真空度降低，器件的失效最終會導(dǎo)致器件壽命的失效。因此會導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生故障，無法正常工作。故障率是隨時間的延長而增加。此外，在真空電子器件存儲期間，也存在腐蝕和燈絲結(jié)構(gòu)的脆性。隨著時間的增加而增加的是這些失效率的頻率（隨機、無法預(yù)料）。此外，在真空電子器件使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中明確定義了存儲壽命和設(shè)備非工作失效率的概念。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了這些類型電子真空器件的存儲壽命。存儲壽命與器件的工作壽命（即保證使用壽命）必然不同，在深入研究電子物理和固體物理之后，我們已經(jīng)得出結(jié)論：時間與器件的非工作失效率有關(guān)，即使器件的存儲失效機制也是。根據(jù)實際研究表明，不同類型的真空電子器件具有固定的存儲壽命。從所收集的各種類型的設(shè)備的數(shù)據(jù)中，假設(shè)在非工作存儲壽命期間設(shè)備的故障率較低，并且一旦達到存儲壽命期，因為失效率的原因?qū)е碌膿p失將增加。由于真空電子器件的特殊用途，從設(shè)備工廠到武器應(yīng)用，幾年和十多年的時間，許多關(guān)鍵項目在長期儲存和非工作的要求下提出了其高可靠性的貯存壽命指標(biāo)。

對真空電子器件的分析可知，由于長期儲存，各種器件的性能將從微觀向宏觀轉(zhuǎn)變，甚至?xí)?dǎo)致失效。當(dāng)然這種變化是一個漫長的過程，這與設(shè)備的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和工藝質(zhì)量密切相關(guān)。為了進一步解釋失效機理，以微波三極真空器件為例說明：

（1）殼體金屬部分，特別是焊縫薄弱部位的腐蝕，造成部件的長期泄漏，器件中的部件因為除氣不徹底，氣體將在存儲過程中緩慢釋放。真空會降低，陰極會中毒。

（2）由于器件內(nèi)部由不同的材料制成，從電子物理上看，器件之間存在接觸電位差。在接觸電位差的作用下，陰極涂層和陰極表面的活性物質(zhì)會緩慢遷移和再分布，從而降低陰極的活性，使性能參數(shù)變差，最終導(dǎo)致失效。

（3）器件內(nèi)柵極的柵絲是用預(yù)張力繞上的，經(jīng)長期存儲后，柵絲張力逐漸消失、柵絲緩慢松馳，使極點之間的細(xì)微距離進一步降低，并導(dǎo)致器件的電特性的離散。綜上所述，真空電子器件必須解決長期存儲的可靠性，延長存儲壽命，提高存儲可靠性的問題。這是一個技術(shù)難度大、投資大的研究領(lǐng)域。這也是一項重大國防工程亟待解決的技術(shù)難題。

3非工作可靠性分析

經(jīng)過長期的數(shù)據(jù)采集與分析，我們得到如下結(jié)果，真空電子器件失效的唯一原因是來自于其內(nèi)部組件的真空度降低。而在真空電子器件的正常真空度應(yīng)優(yōu)于1×10^-6Pa。

國內(nèi)外相關(guān)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗表明，真空電子器件在存儲過程中最有可能的失效機理是氣體泄漏或滲透，即管內(nèi)部氣體的釋放和管殼處的泄漏，導(dǎo)致管子真空度下降。隨著管子制造工藝的改進，管子外殼泄漏得到有效控制。真空電子器件非工作存儲過程中真空度下降的主要原因是管子內(nèi)部的漏氣。真空電子器件由于氣體泄漏和氣體釋放的失效率在偶然失效期內(nèi)應(yīng)為常數(shù)，分布應(yīng)呈指數(shù)分布。當(dāng)真空電子器件進入正常存儲過程中時，故障率以正態(tài)分布的形式存在的。

器件內(nèi)真空度是影響真空電子器件質(zhì)量可靠性的關(guān)鍵因素之一。由于管內(nèi)真空度下降，管內(nèi)氣體可能會在管子啟動時引起管子內(nèi)部打火。管內(nèi)氣體的增多導(dǎo)致陰極中毒，導(dǎo)致陰極發(fā)射性能下降，管內(nèi)特性差異；管內(nèi)氣體電離導(dǎo)致管子異常工作等，導(dǎo)致管子無法正常工作，即管子失效。

管內(nèi)真空度的測量是真空電子器件存儲和使用過程中的常規(guī)無損檢測方法。這對于分析和掌握真空管的性能，特別是對長期存儲的真空電子器件壽命的研究具有重要意義。近十年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和真空設(shè)備制造工藝的進步，在電子管時代，我們不可能用密封的真空管來測量這些電子。真空測量技術(shù)的持續(xù)改進對于研究、開發(fā)階段和生產(chǎn)中具有重大的意義，越來越受到世界各國的高度關(guān)注。

電子真空器件非工作狀態(tài)的長期存儲壽命評估與預(yù)測技術(shù)研究真空度的測量工作是影響真空器件貯存壽命的最重要因素。如何測量管子內(nèi)部的真空度是研究的關(guān)鍵。為了建立一個由電真空管內(nèi)部裝置組成的電離計，必須充分了解真空管的工作原理、結(jié)構(gòu)、各電極的功能以及管子的工作條件和環(huán)境，特別是測量的方法和手段。由于管子的特殊性，如電極的散射參數(shù)、電極表面狀態(tài)的變化、陰極發(fā)射性能的衰減以及復(fù)雜的物理化學(xué)過程等因素的影響。測量各種管材、管材類型、結(jié)構(gòu)型式都不一樣。

結(jié)束語

真空電子器件是現(xiàn)代電子設(shè)備中的主要器件，隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的功能性、復(fù)雜性等特性日益增加，對真空電子器件的工作和非工作可靠性要求越來越嚴(yán)。造成真空電子器件失效的因素很多，但在非工作狀態(tài)下，長期存儲真空電子器件最容易產(chǎn)生的是管內(nèi)壓力升高。當(dāng)管內(nèi)的壓力持續(xù)上升至臨界點（即真空度降低至臨界值），真空電子器件便失去了它的用途，成為不合格品。因此，可以通過測量管內(nèi)的真空度來確定真空器件失效曲線。通過測量管內(nèi)真空度，建立了真空電子器件貯存壽命的理論模型。某些用途的器件的工作期時間雖然比較短暫，但對器件的整個存儲壽命有著較高的要求，長期存儲后使用應(yīng)能正常工作。因此，對這些器件的非工作狀態(tài)的壽命失效分析研究有著比較好的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。

（作者單位：南京三樂集團有限公司）